DE2414048C3

DE2414048C3 - Precision probe for measuring the surface temperature of human and animal skin

Info

Publication number: DE2414048C3
Application number: DE19742414048
Authority: DE
Original assignee: Flesch, Udo, Dipl.-Phys., 1000 Berlin Etf ·. gleich Anmeldet
Filing date: 1974-03-21
Publication date: 1976-11-04

Description

Die Erfindung betrifft ein Berührungsthermometer zur Messung der Hauttemperatur.The invention relates to a contact thermometer for measuring skin temperature.

Das Thermometer zeichnet sich aus durch eine Meßgenauigkeit von absolut ΔΤ= ± 0,1⁰C und einer thermischen Auflösung zweier Punkte von besser als ΔΤ = 0,02⁰C und durch geringe Ansprechzeiten bis zu τ = 2 ms. Dies wird erreicht durch eine nur sehr kleine Beeinflussung der Perspiratio insensibilis; und der Wärmestrahlung der Haut. Außerdem wird die Temperatur der Haut kaum verändert, da die Wärmekapazität der verwendeten Detektoren sehr klein ist und der umgebende Behälter gut isoliert werden kann. Die Hautreaktion kann dabei vernachlässigt werden. Als Detektoren können Miniatur-Thermistoren und Miniatur-Mantel-Thermoelemente eingesetzt werden. Bei dem Thermometer handelt es sich um eine Kontaktmessung bei Zimmertemperatur, bei der die Haut nicht beschädigt wird. Während der Messung, die zeitlich aufgezeichnet werden kann, ist es möglich, Bestrahlungen durch die Haut vorzunehmen.The thermometer is characterized by a measurement accuracy of absolute ΔΤ = ± 0.1 ⁰ C and a thermal resolution of better than two points ΔΤ = 0.02 ⁰ C and by low response times up to τ = 2 ms. This is achieved through only a very small influence on the insensitivity perspective; and the thermal radiation of the skin. In addition, the temperature of the skin is hardly changed, since the heat capacity of the detectors used is very small and the surrounding container can be well insulated. The skin reaction can be neglected. Miniature thermistors and miniature jacket thermocouples can be used as detectors. The thermometer is a contact measurement at room temperature that does not damage the skin. During the measurement, which can be recorded over time, it is possible to apply radiation through the skin.

Es sind schon verschiedene Meßeinrichtungen bekannt, mit denen die Oberflächentemperatur der Haut gemessen werden kann. Thermographische Folien und Temperaturmeßfarben beeinflussen die Wärmestrahlung und die Perspiratio insensibilis erheblich.Various measuring devices are already known with which the surface temperature of the skin can be measured. Thermographic foils and temperature measuring colors influence the thermal radiation and the perspiratio insensibilis considerably.

Temperaturabhängige Widerstände, Kristalle und Thermoelemente ohne zusätzliche Maßnahmen sind den Temperaturschwankungen durch die Konvektion der Luft ausgesetzt. Werden sie jedoch durch Abdeckungen abgeschirmt, wird die Wärmestrahlung und die Perspiratio insensibilis beeinflußt. Die bisher leistungsfähigste Methode ist die Messung der Wärmestrahlung der Haut. Mit dieser Methode können zwei schwarze Körper mit der Temperaturdifferenz von ΔΤ= 0,2°C und bei Verzicht auf Bildaufzeichnung von ΔΤ'- 0,05⁰C unterschieden werden. Die Messung der Wärmestrahlung ist relativ kompliziert und aufwendig. Temperaturdifferenzen werden leicht erhalten, jedoch ist eine Kalibrierung der Messung schwer, da Instabilitäten durch Kühlung und Elektronik die MessungTemperature-dependent resistors, crystals and thermocouples without additional measures are exposed to the temperature fluctuations caused by the convection of the air. However, if they are shielded by covers, the thermal radiation and the perspiratio insensibilis are influenced. The most powerful method to date has been to measure the skin's thermal radiation. With this method, two black body can use the temperature difference of ΔΤ = 0.2 ° C and at dispensing with image recording ΔΤ '- ⁰ 0.05 C can be distinguished. The measurement of thermal radiation is relatively complicated and expensive. Temperature differences are easily obtained, but calibration of the measurement is difficult because instabilities due to cooling and electronics affect the measurement

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beeinflussea Der ständige Vergleich mit einem Referenzstrahler erfordert Strahler, die über langer Zeit ihre angegebenen Eigenschaften beibehalten.influenceea Constant comparison with a reference source requires sources that last for a long time Time to maintain their specified properties.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Oberflächentemperatur der menschlichen Haut bei Zimmertemperatur jederzeit reproduzierbar innerhalb enger Fehlergrenzen zu messen. Diese Aufgabe wird mit den im Hauptanspruch gekennzeichneten Maßnahmen gelöstThe present invention has for its object, the surface temperature of the human To measure skin at room temperature reproducibly at any time within narrow error limits. This The problem is solved with the measures characterized in the main claim

Der Erfindungsgegenstand vereinigt die Vorzüge:The subject of the invention combines the advantages:

1. sehr einfacher Aufbau,
Z leichte Kalibrierung,1. very simple structure,
Z easy calibration,

3. geringe Beeinflussung der Wärmestrahlung und der Perspiratio insensibilis,3. little influence on the thermal radiation and the perspiratio insensibilis,

4. geringe Wärmekapazität,4. low heat capacity,

5. vernachlässigbare Hautreaktionen,5. negligible skin reactions,

6. Absolut- und Differenzmessungen möglich,6. Absolute and differential measurements possible,

7. einfache Auswertung der Meßsignale, da handels übliche Detektoren verwendet werden, 7. Simple evaluation of the measurement signals, since standard detectors are used,

8. automatische zeitliche Aufzeichnung des Meßsignals möglich,8. automatic temporal recording of the measuring signal possible,

9. Messungen können auch während einer Bestrahlung oder radiologischen Untersuchung vorgenommen werden.9. Measurements can also be taken during an irradiation or radiological examination will.

In einem wärmeisolierten Stab, dessen beide Seitenflächen auf einem unterschiedlichen Temperaturniveau sich befinden, fällt die Temperatur nach der Theorie der Wärme linear von der höheren zur niedrigeren ab. Befindet sich nun die eine Seite des Stabes auf der Hautoberfläche H mit der Temperatur Γι, während die andere die Zimmertemperatur Ti der umgebenden Luft L hat, so zeigt A b b. 1 den funktioneilen Zusammenhang zwischen der Temperatur Γ im Stab und des Abstandes von der Hautoberfläche x. Auf der Ordinate ist die Temperatur rund auf der Abszisse der Abstand χ von der Hautoberfläche aufgetragen. I bedeutet die Länge des Stabes. Die Temperatur, die in einem beliebigen Punkt des Stabes im Abstand χ von der Hautoberfläche existiert, ist durch folgende Gleichung angegeben:In a thermally insulated rod, the two side surfaces of which are at a different temperature level, according to the theory of heat, the temperature falls linearly from the higher to the lower. If one side of the rod is now on the skin surface H with the temperature Γι, while the other side has the room temperature Ti of the surrounding air L , then A b b shows. 1 the functional relationship between the temperature Γ in the rod and the distance from the skin surface x. The temperature is plotted on the ordinate and the distance χ from the skin surface on the abscissa. I means the length of the stick. The temperature that exists at any point on the rod at a distance χ from the skin surface is given by the following equation:

T — TT - T

In der A b b. 2 besteht der Stab aus Luft und ist von einem Behälter 3 umgeben. Die eine Seite ist unmittelbar mit der Hautoberfläche H und die andere mit der umgebenden Luft L verbunden. Der Behälter 3 verhindert, daß die umgebende Luft die Luft im Stab in Konvektion versetzt. Weiterhin ist die Größe des Behälters 3 so gering gehalten, daß die Luft im Stab nicht von allein zur Konvektion kommt. Der Behälter 3 besteht aus einem Material, das für Wärmestrahlen durchlässig ist. Da einerseits Luft ein guter Wärmeisolator und andererseits die Wärmeabstrahlung der Luft wegen der Transparenz der Luft für Wärmestrahlen gering ist, ist die Voraussetzung eines wärmeisolierten Stabes hinreichend erfüllt.In the A b b. 2, the rod consists of air and is surrounded by a container 3. One side is directly connected to the skin surface H and the other to the surrounding air L. The container 3 prevents the surrounding air from convecting the air in the rod. Furthermore, the size of the container 3 is kept so small that the air in the rod does not come to convection by itself. The container 3 consists of a material that is permeable to heat rays. Since, on the one hand, air is a good heat insulator and, on the other hand, the heat radiation of the air is low because of the transparency of the air for heat rays, the prerequisite for a heat-insulated rod is sufficiently fulfilled.

Wird nun die Oberflächentemperatur der Haut Γι mit einem Detektor 4 gemessen, so nimmt die eine Seite des Detektors die Temperatur Tt an und die andere Seite im Abstand h von der Hautoberfläche die Temperatur T(h). Gemessen wird eine Temperatur zwischen Γι und T(h). Wird nun eine Meßgenauigkeit Δ T < T\ - T(h) gefordert, so ergibt sich nach Gleichung (1), wenn für χ dieIf the surface temperature of the skin Γι is measured with a detector 4, one side of the detector assumes the temperature Tt and the other side at a distance h from the skin surface assumes the temperature T (h). A temperature between Γι and T (h) is measured. If a measurement accuracy Δ T <T \ - T (h) is now required, then according to equation (1), if for χ the

Bauhöhe Λ des Detektors eingesetzt wird, die Bedingung:Height Λ of the detector is used, the condition:

I T₁ - 7·, I T ₁ - 7 ·,

\T\ T

Sei z.B. /=50mm, 71 - 72 = 10⁰C und ΔΤ= 0,2⁰C, so wird für Λ < 1 mm erhalten. Diese Bauhöhe läßt sich leicht mit handelsüblichen Thermistoren (h = Ο35 mm) und Thermoelementen ι ο (h *- 0,25 mm) verwirklichen.For example, if / = 50mm, 71 - 72 = 10 ⁰ C and ΔΤ = 0.2 ⁰ C, then for Λ <1 mm is obtained. This overall height can easily be achieved with commercially available thermistors (h = Ο35 mm) and thermocouples ι ο (h * - 0.25 mm).

Bei einer konvektionsfreien Luftschicht von / = 50 mm über der Haut, einem Temperaturunterschied d?r Hautoberfläche zur umgebenden Wand von 10⁰C und unter Ruhebedingungen verhalten sich die Wärmeabgaben der Haut durch Wärmestrahlung, durch Perspiratio insensibilis und durch Wärmeleitung ungefähr wie 1 :0,25:0,08. Daraus ist ersichtlich, daß die Wärmeabstrahlung der Haut der größte Posten der Energiebilanz ist Da der menschliche Körper allgemein wärmer ist als die Umgebung, sollte im Gleichgewichtszustand der Temperatur der größte Posten der Wärmeabgabe nicht beeinflußt werden. Dies wird erreicht, indem der Behälter 3 des Stabes aus Luft aus einem Material besteht, der für Wärmestrahlen der Haut durchlässig ist, aber eine Wärmeleitung zur und Konvektion durch die umgebende Luft verhindert. Ein Aufbau dieses Behälters 3 als evakuierte Doppelwand aus wärmestrahlendurchlässigem Material erfüllt diese Bedingung. Bei der in Abb.3 dargestellten Konstruktion wurde auf die evakuierte Doppelwand verzichtet und der Behälter aus einer wärmestrahlendurchlässigen Folie gebaut. Die einfachere Lösung der A b b. 3 lieferte Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit. Die LuIi des Stabes ist zur umgebenden Luft L hin auf der einen Seite ;λ mit dieser Luft unmittelbar verbunden. Dadurch wird die Peispiratio insensibilis ermöglicht. Eine Konvektion der Luft innerhalb des Stabes wird durch geeignete Wahl eines kleinen Durchmessers des Stabes verhindert. Eine Wärmeisolation des Behälters 3 zur Haul H sowie eine Abdichtung zur Umgebung wird durch einen Filzstreifen 7 zwischen Haut Hund Behälter 3 erreicht.With a convection-free air layer of / = 50 mm above the skin, a temperature difference between the skin surface and the surrounding wall of 10 ^° C and under resting conditions, the heat output of the skin through thermal radiation, through perspiratio insensibilis and through thermal conduction is approximately 1: 0, 25: 0.08. From this it can be seen that the heat radiation of the skin is the largest item in the energy balance. Since the human body is generally warmer than the surroundings, the largest item of the heat emission should not be influenced in the equilibrium state of temperature. This is achieved in that the container 3 of the rod consists of air from a material which is permeable to heat rays from the skin, but which prevents heat conduction to and convection through the surrounding air. A construction of this container 3 as an evacuated double wall made of material permeable to heat radiation fulfills this condition. In the construction shown in Fig. 3, the evacuated double wall was dispensed with and the container was built from a film that is permeable to heat radiation. The simpler solution to A b b. 3 provided results with sufficient accuracy. The LuIi of the rod is connected to the surrounding air L on one side; λ is directly connected to this air. This enables the Peispiratio insensibilis. Convection of the air inside the rod is prevented by a suitable choice of a small diameter for the rod. Thermal insulation of the container 3 from the Haul H as well as a seal from the surroundings is achieved by a felt strip 7 between the skin and the container 3.

Die Luft des Siabes berührt unmittelbar die Hautoberfläche H. In der Mitte dieser Berührungsfläche ist der Temperaturdetektor 4 angeordnet Die elektrischen Drähte 8 des Temperaturdetektors 4 führen zum elektrischen Anschluß 2.The air of the Siabes directly touches the skin surface H. The temperature detector 4 is arranged in the middle of this contact surface. The electrical wires 8 of the temperature detector 4 lead to the electrical connection 2.

A b b. 4 zeigt eine Aufsicht auf die Hautoberfläche durch den Meßfühler. Die Lage des Temperaturdetektors 4 wird durch Perlonfäden 5 fixiert, so daß der Detektor immer unter leichter Spannung auf der Hautoberfläche aufliegt Wird eine hohe zeitliche Auflösung verlangt, so werden als Detektoren Miniaturthermoelemente verwendet, die mit Ansprechzeiten bis zu τ = 2 ms auf dem Markt erhältlich sindA b b. 4 shows a plan view of the skin surface through the probe. The location of the temperature detector 4 is fixed by nylon threads 5, so that the detector always rests under slight tension on the skin surface is a high time resolution is required, be used as detectors miniature thermocouples available with response times of up to τ = 2 ms in the market are

Eine punktförmige Temperaturmessung hat jedoch den Nachteil, daß sich durch eine geringe seitliche Verschiebung der Meßeinrichtung der Einfluß von kleinen »hot spots« auf die Temperaturmessung bemerkbar macht. Eine integrierte Messung über einem kleinen Flächenelement der Haut vermeidet diesen Nachteil. Ein MetaUdrahtghter 6, das auf der Hautoberfläche H liegt, ist wärmeleitend mit dem Detektor 4 verbunden (vgl. A b b. 4 und 5).A point-like temperature measurement, however, has the disadvantage that the influence of small "hot spots" on the temperature measurement becomes noticeable due to a slight lateral displacement of the measuring device. An integrated measurement over a small surface element of the skin avoids this disadvantage. A metal wire mesh 6, which lies on the surface of the skin H , is connected to the detector 4 in a heat-conducting manner (cf. A b b. 4 and 5).

Das Metalldrahtgitter stellt sich dabei auf eine mittlere Temperatur der Hautoberfläche ein. Sind d'.■:■ Temperaturdifferenzen auf der zu messenden Hautfläche bei AT<Q,\°C, wird als Metall Reinstsilber verwendet, und ist der Abstand des entferntesten Punktes des Gitters vom Detektor kleiner als 0,5 cm, so findet der Temperaturausgleich innerhalb der Meßgenauigkeit, wie sich leicht aus der Theorie der Wärme ergibt, in Zeiten kleiner als 0,3 s statt. Dieser Wert liegt wesentlich unter der Ansprechzeit von Miniatur-Thermistoren von τ — 9 s.The metal wire mesh adjusts itself to an average temperature of the skin surface. If d '. ■: ■ temperature differences on the skin surface to be measured at AT <Q, \ ° C, pure silver is used as the metal, and if the distance of the most distant point of the grid from the detector is less than 0.5 cm, the temperature is equalized within the measurement accuracy, as can easily be seen from the theory of heat, in times of less than 0.3 s. This value is well below the response time of miniature thermistors of τ - 9 s.

Die Projektionsfläche des Metalldrahtgitters 6 beträgt nur etwa 10% der abgedeckten Gesamtfläche des Gitters, wenn der Durchmesser des Drahtes 0,1 mm und der Gitterabstand 2 mm beträgt. Da der Draht nicht überall dicht auf der Haut aufliegt, bleibt die Perspiratio insensibilis um den Draht herum im wesentlichen ungehindert erhalten. Auch die Wärmestrahlung wird durch den Draht, nachdem er geschwärzt wurde, wenig beeinflußt.The projection area of the metal wire grid 6 is only about 10% of the total area covered of the grid when the diameter of the wire is 0.1 mm and the grid spacing is 2 mm. Because the wire is not rests close to the skin everywhere, the insensitivity perspective remains essentially around the wire received unimpeded. The heat radiation is also little through the wire after it has been blackened influenced.

Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Contact nometer for measuring the Skin temperature, characterized in that the temperature detector (4) is in a container (3) is arranged that the container for heat rays is permeable that the convection of the air inside the container is prevented and that the Perspiration is maintained when the ι ο Container is placed on the surface.

2. Thermometer according to claim 1, characterized in that the container (3) has the shape of a Has cylinder, base and top surface are open and a column of air is enclosed and that the Temperature detector (4) is attached in hone of one open end, while the object to be measured remote end is connected to the surrounding air.

3. Thermometer according to claim 1 or 2, characterized in that the temperature detector with a thermally conductive grid (6) is connected.